[發明專利]彎振復合模態足式壓電驅動器的跨尺度驅動方法

有效

• 申請號: 201410290777.6
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104022682A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 劉英想;馮培連;陳維山;劉軍考;石勝君
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02N2/06
• 分類號: H02N2/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張利明

技術領域

本發明涉及彎振復合模態足式壓電驅動器的跨尺度驅動方法，屬于壓電驅動技術領域。

背景技術

壓電超聲驅動技術是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在彈性體中激勵出超聲頻段內的振動，在彈性體表面特定點或特定區域形成具有特定軌跡的質點運動，進而通過定子、轉子之間的摩擦耦合將質點的微觀運動轉換成轉子的宏觀運動的技術。壓電超聲驅動器具有低速大轉矩、無需變速機構、無電磁干擾、響應速度快和斷電自鎖等優點。

基于彎曲振動復合實現驅動的壓電超聲驅動器具有結構簡單、無需模態簡并、效率高、出力大的突出優點，例如中國專利《彎振模態梁式直線超聲電機振子》，公開號為101626203，公開日為2010-01-13，提出了一種彎振模態梁式直線超聲驅動器的振子，它解決了因陶瓷材料抗拉強度低和機電耦合效率低造成的超聲驅動器的機械輸出能力受到制約的問題，具有結構簡單、設計靈活、機電耦合效率高、可實現大力矩輸出、性能穩定、易于控制、可系列化生產的優點。

但是，具有這種振子的驅動器實際工作時通過給兩組彎振壓電陶瓷片施加連續的交流電壓來激勵出驅動足處質點的連續的橢圓軌跡振動，進而通過摩擦耦合實現動子致動；由于采用連續交變電壓進行驅動，其定位精度和分辨力一般只能達到微米級，難于實現進一步提高，因此，無法滿足超精密加工、微納制造和生命科學等領域飛速發展的需要。

發明內容

本發明目的是為了解決現有的彎振復合模態足式壓電驅動器的定位精度和分辨力低的問題，提供了一種彎振復合模態足式壓電驅動器的跨尺度驅動方法。

本發明所述彎振復合模態足式壓電驅動器的跨尺度驅動方法，所述彎振復合模態足式壓電驅動器包括兩組彎振壓電陶瓷片和驅動足，所述驅動器的驅動方法根據目標輸出位移選擇下述三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實現不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為：

第一種為交流連續激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相連續交流激勵電壓，以實現驅動器兩個正交彎曲振動的復合激勵，從而在驅動足處產生持續的橢圓軌跡的振動；該振動能夠驅動動子實現大推力、大位移、快速及連續的運動輸出，所述大位移指位移大小不受限制；

第二種為脈沖步進激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實現驅動器兩個正交彎曲振動的脈沖式復合激勵，從而在驅動足處產生間歇性的橢圓軌跡的振動；該振動能夠驅動動子實現微米尺度分辨力、低速及斷續的步進輸出；

第三種為直流微驅動模式，該激勵模式給一組彎振壓電陶瓷片施加直流電壓，另一組彎振壓電陶瓷片為懸空狀態，實現驅動器單方向的彎曲變形，從而在驅動足處產生單一方向的位移輸出；該位移輸出能夠驅動動子實現納米尺度分辨力及微米尺度行程的輸出，通過調整直流電壓幅值實現動子輸出位移的精確調整。

所述彎振復合模態足式壓電驅動器在直流微驅動模式下獲得的驅動足最大輸出位移高于脈沖步進激勵模式下能夠獲得的驅動足最佳分辨力。

當驅動器目標輸出位移小于或者等于直流微驅動模式的最大輸出位移時，該目標輸出位移為微米量級，驅動器采用直流微驅動模式實現小尺度位移、高定位精度和分辨力的輸出。

當驅動器目標輸出位移大于直流微驅動模式的最大輸出位移且不高于毫米量級，則驅動器首先采用脈沖步進激勵模式，直至該激勵模式獲得的輸出位移與目標輸出位移的差值小于或者等于直流微驅動模式的最大輸出位移時，驅動器切換至直流微驅動模式，實現最終的精確定位。

當驅動器目標輸出位移為數十毫米量級以上時，則驅動器首先采用交流連續激勵模式；在實際輸出位移未達到目標輸出位移時，每一設定采樣周期采集一次當前實際輸出位移；再計算當前實際輸出位移與目標輸出位移的差值，并采用下述方法之一實現最終精確定位：

方法一：當當前實際輸出位移與目標輸出位移的差值大于直流微驅動模式的最大輸出位移并且不高于毫米量級時，切換至脈沖步進激勵模式，進行步進調整；

繼續采集當前實際輸出位移，當當前實際輸出位移與目標輸出位移的差值小于或者等于直流微驅動模式的最大輸出位移時，驅動器切換至直流微驅動模式，實現最終精確定位；

方法二：當當前實際輸出位移與目標輸出位移的差值小于或者等于直流微驅動模式的最大輸出位移時，驅動器直接切換至直流微驅動模式，實現最終精確定位。

交流連續激勵模式和脈沖步進激勵模式的激勵電壓波形為正弦波波形、方波波形、三角波波形或者梯形波波形。